(57)【要約】【課題】伝熱性能を改善し、さらに水素の生成効率および回収性を向上することができる水素製造装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】反応ガスから水素を生成する水素生成触媒２と、水素生成触媒２に沿って反応ガスを流通する流通路１１と、水素生成触媒２の温度を調整する層状の温度調整部３と、を備える。また、少なくとも一部に水素透過可能な多孔質部を有する支持体８と、支持体８の多孔質面に形成され、選択的に水素を透過するメンブレン４と、を備える。メンブレン４表面に水素生成触媒２を設け、流通路１１を支持体８の多孔質体６に設けた溝１０により構成し、溝１０間に形成されたフィン１２の頂面１２ｔと温度調整部３とを接合して構成する。【選択図】      図２
2005336038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスから水素を生成する水素生成触媒と、
前記水素生成触媒に沿って反応ガスを流通する反応ガス流路と、
前記水素生成触媒の温度を調整する層状の温度調整部と、
少なくとも一部に水素透過可能な多孔質部を有する支持体と、
前記支持体の多孔質面に形成され、選択的に水素を透過する水素分離膜と、
を備えた水素製造装置において、
前記水素分離膜表面に水素生成触媒を設け、
前記反応ガス流路を前記支持体の多孔質部に設けた溝により構成し、前記溝間に形成されたフィンの頂面と前記温度調整部とを接合して構成することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記フィンの頂面と前記温度調整部材との接合部分を緻密部材により構成する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記支持体に隣接し、前記水素生成触媒の温度を調整する層状の温度調整部を備え、
前記水素分離膜と前記温度調整部との間に、前記支持体の前記多孔質部の少なくとも一部を設ける請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記反応ガス流路を、壁面に前記水素分離膜および前記水素生成触媒を有し、前記多孔質部の内部に設けた流路とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記水素分離膜を選択的に透過した水素を流通する水素通路を、前記支持体の前記多孔質部により構成する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記水素通路としての前記多孔質部内部に、水素が流通する空間を設ける請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記水素生成触媒の温度を調整する温度調整部を備え、
かつ、前記水素生成触媒として水蒸気改質触媒を、前記温度調整部として燃焼反応を生じる燃焼部を備える、または、前記水素生成触媒として水性シフト触媒を、前記温度調整部として冷媒を流通する冷却部を備える請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項８】
請求項２に記載の水素製造装置の製造方法であって、
多孔質部を構成する多孔質体の一方の面に緻密材を設けて支持体を構成し、
前記支持体の前記緻密材を設けた面側に反応ガス流路となる溝を設け、
前記溝間に形成されたフィンの頂面にマスキングを施した状態で、前記溝表面に水素分離膜を形成し、
前記支持体の緻密材を設けた面側に、接触面が緻密材よりなる層状の温度調整部を接合し、
前記反応ガス流路壁面のうち、少なくとも前記水素分離膜を設けた溝表面に水素生成触媒を設けることを特徴とする水素製造装置の製造方法。
【請求項９】
請求項４に記載の水素製造装置の製造方法であって、
多孔質部を構成する多孔質体の一方の面に溝を設け、
二つの前記多孔質体を前記溝が対向するように接合して、前記多孔質体内部に前記反応ガス流路を構成し、
前記反応ガス流路の壁面全体に水素分離膜を形成し、
前記水素分離膜の表面全体に水素生成触媒を形成することを特徴とする水素製造装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置に関するものである。特に、水素分離膜を用いて水素を分離・回収する構成を備えた水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素製造装置として、以下のような構成のものが知られている。
【０００３】
直立状バーナ装置と、バーナ装置を囲繞し燃焼室を内部に形成する円筒状輻射板と、密閉された環状の天井板を有し円筒状輻射板の外周を囲繞して輻射板との間に反応室を形成する外筒と、を備える。また、外筒の上部を密閉状に覆う天蓋部と、反応室の内部において輻射板を囲繞する原料供給管と、反応室の内部に設けた直立状水素透過管と、を備える。さらに、水素透過管の内部に直立状に設けられ複数本のスイープガス管と、水素透過管を貫通して反応室の内部に直立状に配置された複数本の煙導管と、反応室の内部において水素透過管の周囲に挿入された水蒸気改質触媒と、を備えている。水素透過管は多孔質担体にパラジウムを無電解メッキ方法により成膜して調製したものなど、水素を選択的に透過でき、かつ５００〜６００度の耐熱性を有するものを用いる（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開平９−２８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開平９−２８０１号公報に記載の水素製造装置においては、水素製造装置の中央に備えられた１つのバーナ装置の周囲に改質触媒を取り囲んで層を構成し、その中に改質水素透過管を設けた構成となっていたため、バーナ装置から改質触媒層への伝熱面積を大きく取ることができず伝熱性やスペース効率が悪い問題があった。そのため、最近では図１に示すような温度調整部と水素生成部と水素通路部を複数に積層した積層型の水素製造装置が提案されている。
【０００５】
そこで本発明は、このような水素製造装置において伝熱性能を改善し、さらに水素の生成効率および回収性を向上することができる水素製造装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の水素製造装置は、反応ガスから水素を生成する水素生成触媒と、前記水素生成触媒に沿って反応ガスを流通する反応ガス流路と、前記水素生成触媒の温度を調整する層状の温度調整部と、を備える。また、少なくとも一部に水素透過可能な多孔質部を有する支持体と、前記支持体の多孔質面に形成され、選択的に水素を透過する水素分離膜と、を備える。このような水素製造装置において、前記水素分離膜表面に水素生成触媒を設け、前記反応ガス流路を前記支持体の多孔質部に設けた溝により構成し、前記溝間に形成されたフィンの頂面と前記温度調整部とを接合して構成する。
【０００７】
また、本発明の水素製造装置の製造方法は、多孔質部を構成する多孔質体の一方の面に緻密材を設けて支持体を構成し、前記支持体の前記緻密材を設けた面側に反応ガス流路となる溝を設ける。前記溝間に形成されたフィンの頂面にマスキングを施した状態で、前記溝表面に水素分離膜を形成し、前記支持体の緻密材を設けた面側に、接触面が緻密材よりなる層状の温度調整部を接合する。さらに、前記反応ガス流路壁面のうち、少なくとも前記水素分離膜を設けた溝表面に水素生成触媒を設けることにより水素製造装置を製造する。
【０００８】
または、多孔質部を構成する多孔質体の一方の面に溝を設け、二つの前記多孔質体を前記溝が対向するように接合して、前記多孔質体内部に前記反応ガス流路を構成する。前記反応ガス流路の壁面全体に水素分離膜を形成し、前記水素分離膜の表面全体に水素生成触媒を形成することにより水素製造装置を製造する。
【発明の効果】
【０００９】
反応ガス流路を前記支持体の多孔質部に設けた溝により構成し、前記溝に水素分離膜を構成し、前記水素分離膜表面に水素生成触媒を構成し、前記溝間に形成されたフィンの頂面と前記温度調整部とを接合して構成することにより、水素の透過面積を増加して水素の透過性能を向上するとともに、温度調整部から水素生成触媒への伝熱性能を向上することができる。
【００１０】
支持体の多孔質面に水素分離膜を形成し、さらに水素分離膜表面に水素生成触媒を形成する。これにより、水素生成触媒で生成された水素は隣接する水素分離膜を介して多孔質部に回収されるので、水素の分離を速やかに行うことができる。その結果、水素生成触媒付近の水素濃度を小さく維持することができるので、水素生成反応を促進させ、水素の回収性および生成効率を向上することができる。
【００１１】
また、多孔質体に設けた溝表面に水素分離膜を形成し、支持体の緻密材を設けた面側に、接触面が緻密材よりなる層状の温度調整部を接合し、反応ガス流路壁面のうち、少なくとも水素分離膜を設けた溝表面に水素生成触媒を設けることにより水素製造装置を製造する。これにより、これにより、多孔質面に水素分離膜が形成され、さらに水素分離膜表面に水素生成触媒が形成されるので、水素の回収性および生成効率が優れた水素製造装置を製造することができる。
【００１２】
また、二つの多孔質体を溝が対向するように接合し、多孔質体内部に反応ガス流路となる通路孔を構成し、通路孔の壁面全体に水素分離膜を形成し、水素分離膜の表面全体に水素生成触媒を形成する。これにより、多孔質体よりなる通路孔の壁面全体に水素分離膜が形成され、さらに水素生成触媒が形成されるので、水素の回収性および生成効率が優れた水素製造装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の実施形態について説明する。水蒸気改質機能を備えた水素製造装置１ａの概略を図１（ａ）に、水性ガスシフト機能を備えた水素製造装置１ｂの概略を図１（ｂ）に示す。本実施形態は、水素製造装置１ａと水素製造装置１ｂのどちらに適用しても良い。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、水素製造装置１ａには、水蒸気改質機能を有する水素生成部１０２ａを備える。また、水素生成を効率的に行うために、水素生成部１０２ａの温度を適切に調整する温度調整部１０３を備える。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、ここでは水素生成部１０２ａに隣接して燃焼部１０３ａを備える。また、水素生成部１０２ａに面して、水素を選択的に透過するメンブレン１０４ａを備え、さらにメンブレン１０４ａを透過した水素を回収する水素通路部１０５ａを備える。
【００１５】
運転時には、水素生成部１０２ａに水蒸気と改質燃料を導入し、燃焼部１０３ａに酸化剤としての空気および燃焼燃料を導入する。燃焼部１０３ａでの燃焼反応に伴って発生する熱が水素生成部１０２ａ側に移動することにより、水素生成部１０２ａが反応に適した温度に維持される。水素生成部１０２ａでは、吸熱反応である水蒸気改質反応が生じ、水素リッチな改質ガスが生成される。このとき、改質ガス中の水素はメンブレン１０４ａを選択的に透過し、水素生成部１０２ａから水素通路部１０５ａ側に回収される。なお、水素通路部１０５ａ内にはスイープガス等を流通させてもよい。このように回収した水素を取出し、燃料ガスとして、例えば図示しない燃料電池のアノードに導入する。
【００１６】
一方、図１（ｂ）に示すように、水素製造装置１ｂには、水性シフト反応層よりなる水素生成部１０２ｂを備える。また、水素生成を効率的に行うために、水素生成部１０２ｂの温度を適切に調整する温度調整部１０３を備える。水性シフト反応は発熱反応であるので、ここでは水素生成部１０２ｂに隣接して、冷媒の流通路となる冷却部１０３ｂを備える。また、水素生成部１０２ｂに面して水素を選択的に透過するメンブレン１０４ｂを備え、さらにメンブレン１０４ｂを透過した水素を回収する水素通路部１０５ｂを備える。
【００１７】
運転時には、水素生成部１０２ｂに水蒸気と水素リッチガスを導入し、冷却部１０３ｂには冷媒を導入する。ここで、水素リッチガスとして、例えば、改質反応によって生成された改質ガス等を導入する。水素生成部１０２ｂでは、発熱反応である水性シフト反応を生じ、さらに水素を生成する。このとき、水素生成部１０２ｂで生じる熱は、隣接して設けた冷却部１０３ｂを流通する冷媒により除去される。生成された水素は、メンブレン１０４ｂを選択的に透過して水素通路部１０５ｂ側に回収される。なお、水素通路部１０５ｂには、スイープガス等を流通させてもよい。このように回収した水素を取出し、燃料ガスとして、例えば、図示しない燃料電池のアノードに導入する。
【００１８】
次に、上述したような水素製造装置１（１ａおよび１ｂ）の具体的な構成を、図２を用いて説明する。
【００１９】
水素製造装置１を積層構造により構成する。ここでは、水素通路部１０５に相当する水素通路５の両側に、支持体８を配置する。水素通路５は、図示しないが、水素製造装置１を積層した際に支持体８の間に水素通路となる空間を構成するための支持部材等からなる水素通路構成部材により形成される。また、支持体８は多孔質体６を構成要素の一つとし、水素通路５の両側に多孔質体６を直接面するように構成する。
【００２０】
また、支持体８を、前述の多孔質体６と、多孔質体６の水素通路５に対向する面６ａの裏面６ｂに設けたＳＵＳ膜７により構成する。支持体８のＳＵＳ膜７を形成した面８ｂ側には溝１０を設ける。溝１０を、複数のそれぞれが並行する溝により構成する。ＳＵＳ膜７を、溝１０間に形成されるフィン１２の頂面１２ｔを覆う膜となるように構成する。
【００２１】
また、溝１０の表面には、メンブレン４（１０４）を設け、さらにその表面に水素生成部１０２に相当する水素生成触媒２を設ける。ここで、メンブレン４を、溝１０の表面のみに構成する。
【００２２】
さらに、溝１０を閉塞するように、支持体８に隣接して、温度調整部１０３に相当する温度調整層３を構成する構成部材９を設ける。ここで、水素生成触媒２を、メンブレン４表面と、溝１０が構成部材９により閉塞された面に構成する。つまり、水素生成触媒を、反応ガスの流通路１１の壁面全体に構成する。
【００２３】
構成部材９は、積層方向両側に設けた平板形状のＳＵＳ板９ａを有し、ＳＵＳ板９ａ間を一定の空間に維持する構成とする。積層時には、このＳＵＳ板９ａとフィン１２の頂面１２ｔに設けられたＳＵＳ膜７とを接合することにより、支持体８と温度調整層３を接続する。なお、緻密質のＳＵＳ板９ａを支持体８に沿って配置するので、反応ガスの流通路１１側から支持体８の多孔質体６内に水素以外のガスが混入するのを抑制することができる。
【００２４】
また、前述するようにＳＵＳ板９ａ間に形成された空間を、温度調整部１０３に相当する温度調整層３とする。水蒸気改質機能を有する水素製造装置１ａに適用する場合には、温度調整層３にスラリー状に調製された酸化触媒を塗布することにより燃焼層３ａを構成し、水性シフト機能を有する水素製造装置１ｂに適用する場合には、温度調整層３を冷媒の流通路である冷却層３ｂとする。
【００２５】
さらに、ＳＵＳ板９ａにより閉塞された溝１０を、水素生成反応に用いる反応ガスの流通路１１とする。前述したように、流通路１１の壁面には、メンブレン４および水素生成触媒２を有する。流通路１１に導入された反応ガスが、水素生成触媒２に接触して水素生成反応を生じる。生成された水素は、水素生成触媒２に隣接するメンブレン４を選択的に透過して多孔質体６側に回収され、さらに多孔質体６内を移動して水素通路５に回収される。このように、水素が生成される水素生成触媒２に接するようにメンブレン４を設け、さらに水素が移動可能な多孔質体６を設けることにより、水素の分離・回収性を向上し、ひいては、水素生成触媒２における水素生成反応を促進させることができる。
【００２６】
なお、水蒸気改質機能を有する水素製造装置１ａに適用する場合には、水素生成触媒２としてスラリー状に調製した水蒸気改質触媒（２ａ）を用い、水性シフト機能を有する水素製造装置１ｂに適用する場合には、水素生成触媒２としてスラリー状に調製した水性シフト触媒（２ｂ）を用いる。また、図２に示すように、ここでは、溝１０の閉塞面にはメンブレン４を形成せず、水素生成触媒２を形成したが、この限りではない。また、これまでの説明では、水素生成触媒２はスラリー状に調整したものをメンブレン４に設けることとしたが、セラミック等から成るペレット状の担体に触媒を担持して反応ガスの琉通路１１に詰めることで、水素分離膜表面に水素生成触媒を設けてもよい。
【００２７】
次に、このような水素製造装置１の製造方法を図３を用いて説明する。
【００２８】
多孔質体６の一方の表面６ｂにＳＵＳ膜７をクラッド法等により形成し、支持体８を構成する（図３（ａ））。支持体８のＳＵＳ膜７の形成面８ｂ側に、複数の溝１０を加工する（図３（ｂ））。このとき、溝１０間には、それぞれ頂面１２ｔにＳＵＳ膜７を有するフィン１２が形成される。支持体８として多孔質体６の一方の表面６ｂにＳＵＳ膜７を有するクラッド材を用いることで、フィン１２の頂面１２ｔから反応ガス流通路１１の水素以外の気体が多孔質体６内にリークするのを防ぐことができる。
【００２９】
次に、フィン１２の頂面１２ｔにマスキングを施し、溝１０の壁面にパラジウム膜を鍍金することによりメンブレン４を設ける（図３（ｃ））。つまり、温度調整層３との接合部分にマスキングを施し、その他の多孔質体６よりなる溝１０の表面にメンブレン４を設ける。
【００３０】
その後、図３（ｄ）に示すように、マスキングを剥がした後、支持体８に隣接して温度調整層３と水素通路５を設ける。ここでは、支持体８の面８ｂ側に、溝１０を閉塞するようにＳＵＳ板９ａを有する構成部材９を配置する。フィン１２の頂面１２ｔに設けられたＳＵＳ膜７と、これに接触するＳＵＳ板９ａとの間を拡散接合により接合する。また、支持体８のもう一方の面８ａには、前述の図示しない水素通路５の構成部材を備える。このとき、水素通路５が多孔質体６の面６ａに直接面するように構成する。
【００３１】
最後に、水素製造装置１ａを構成する場合には、温度調整層３（３ａ）にスラリー状に調製した酸化触媒を塗布する。また、流通路１１の壁面にスラリー状に調整した水素生成触媒２を塗布する。水素生成触媒２としては、水素製造装置１ａを構成する場合には、スラリー状に調製した水蒸気改質触媒（２ａ）を塗し、水素製造装置１ｂを構成する場合には、スラリー状に調製した水性シフト触媒（２ｂ）を塗布する。
【００３２】
このように製造することで、支持体８を構成する多孔質体６表面にメンブレン４を形成し、さらに、メンブレン４に重ねて水素生成触媒２が形成される。
【００３３】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００３４】
反応ガスから水素を生成する水素生成触媒２と、水素生成触媒２に沿って反応ガスを流通する流通路１１と、水素生成触媒２の温度を調整する層状の温度調整部３と、を備える。また、少なくとも一部に水素透過可能な多孔質部を有する支持体８と、支持体８の多孔質面に形成され、選択的に水素を透過するメンブレン４と、を備える。メンブレン４表面に水素生成触媒２を設け、流通路１１を支持体８の多孔質体６に設けた溝１０により構成し、溝１０間に形成されたフィン１２の頂面１２ｔと温度調整部３とを接合して構成する。
【００３５】
流通路１１を支持体８の多孔質体６に設けた溝１０により構成し、溝１０にメンブレン４を構成し、メンブレン４表面に水素生成触媒２を構成し、溝１０間に形成されたフィン１２の頂面１２ｔと温度調整部３とを接合して構成することにより、水素の透過面積を増加して水素の透過性能を向上するとともに、温度調整部３から水素生成触媒２への伝熱性能を向上することができる。また、支持体８の多孔質体６にメンブレン４を形成し、さらにメンブレン４に水素生成触媒を形成する。これにより、水素生成触媒２で生成された水素は隣接するメンブレン４を介して多孔質体６に回収されるので、水素の分離を速やかに行うことができる。その結果、水素生成触媒付近の水素濃度を小さく維持することができるので、水素生成反応を促進させ、水素の回収性および生成効率を向上することができる。
【００３６】
また、フィン１２の頂面１２ｔと温度調整層３の構成部材９との接合部分を緻密部材により構成する。ここではＳＵＳ膜７とＳＵＳ板９ａにより接合部分を構成する。これにより、反応ガスの流通路１１の水素以外の気体が溝１０とＳＵＳ板９ａの閉塞部の隙間から多孔質体６側に漏洩するのを抑制することができる。また、拡散接合、ロウ付け等により、温度調整層３と支持体８（ＳＵＳ膜７）間で、良好な接続を維持することができる。なお、接合部分に緻密材(ＳＵＳ膜７、ＳＵＳ板９ａ)を用いることで、平面度を確保し易いので、必ずしも接合しなくとも、接触熱抵抗を抑制することができる。
【００３７】
さらに、水素生成触媒２の温度を調整する温度調整層３を備え、かつ、水素生成触媒２として水蒸気改質触媒２ａを、温度調整層３として燃焼反応を生じる燃焼部３ａを備える。または、水素生成触媒２として水性シフト触媒２ｂを、温度調整層３として冷媒を流通する冷却層３ｂを備える。これにより、水蒸気改質反応または水性シフト反応により水素を製造する水素製造装置１ａ、１ｂに適用することができる。
【００３８】
また、多孔質部を構成する多孔質体６の一方の面にＳＵＳ膜７を設けて支持体８を構成し、支持体８のＳＵＳ膜７を設けた面８ｂ側に反応ガスの流通路１１となる溝１０を設ける。溝１０間に形成されたフィン１２の頂面１２ｔにマスキングを施した状態で、溝１０の表面にメンブレン４を形成する。また、支持体８のＳＵＳ膜７を設けた面８ｂ側に、接触面がＳＵＳ板９ａよりなる層状の温度調整層３を接合し、流通路１１の壁面のうち、少なくともメンブレン４を設けた溝１０の表面に水素生成触媒２を設ける。これにより、多孔質体６に形成した溝１０の表面にメンブレン４を、さらにその表面に水素生成触媒２が形成されるので、水素の回収性および水素生成効率の優れた水素製造装置１を構成することができる。
【００３９】
次に、第２の実施形態について説明する。図４に、積層構造の水素製造装置１の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
支持体８を二つの多孔質体６ｘ、６ｙを積層することにより構成する。また、支持体８内部を積層面に沿って貫通する流通路１１を設ける。ここでは、流通路１１を、多孔質体６ｘ、６ｙの積層面に設ける。多孔質体６ｘ、６ｙそれぞれに設けた溝１０ｘ、１０ｙを組み合わせることにより流通路１１を構成する。溝１０ｘ、１０ｙを、複数の並行に設けられた溝により構成する。
【００４１】
流通路１１の多孔質体６よりなる壁面全体に沿ってメンブレン４を形成し、さらにその表面に水素生成触媒２を設ける。これにより、流通路１１に反応ガスが導入することで、流通路１１の壁面に沿って形成された水素生成触媒２において水素を生成し、メンブレン４を介して多孔質体６側に水素を回収することができる。このとき、流通路１１の壁面の略全体にメンブレン４および水素生成触媒２を構成することができるので、水素の回収性および生成効率を向上することができる。
【００４２】
このような支持体８の一方の面８ｂ側に、温度調整層３を構成する構成部材９を備える。ここでは、支持体８を構成する多孔質体６に隣接して、構成部材９のＳＵＳ板９ａを設ける。これにより、温度調整層３から支持体８を構成する多孔質対６内に水素以外のガスが混入されるのを避けることができる。また、もう一方の面８ａ側には前述の図示しない水素通路５の構成部材を備える。多孔質体６よりなる支持体８の面８ａと水素通路５とが、直接面するように構成する。
【００４３】
次に、このような水素製造装置１の製造方法を図５を用いて説明する。
【００４４】
多孔質体６ｘ、６ｙの一方の面に、それぞれ溝１０ｘ、１０ｙを設ける（図５（ａ）、（ｂ））。このような多孔質体６ｘ、６ｙを、溝１０ｘ、１０ｙが対向するように拡散接合し、支持体８を形成する。溝１０ｘ、１０ｙを組み合わせることにより支持体８内部に設けられた流通路１１の壁面に、パラジウム膜を鍍金することによりメンブレン４を形成する（図５（ｃ））。
【００４５】
次に、このような支持体８の面８ｂ側に隣接して温度調整層３を構成する構造部材９を接合する。ここでは、支持体８を構成する多孔質体６ｘの溝１０ｘを設けた面の裏面に、ＳＵＳ板９ａを拡散接合、ロウ付け等により接合する。また、支持体８の面８ａ側、つまり支持体８を構成する多孔質体６ｙの溝１０ｙを設けた面の裏面側に隣接して、前述の図示しない水素通路５の構成部材を接合する（図５（ｄ））。
【００４６】
さらに、図５（ｅ）において、水蒸気改質を行う水素製造装置１ａを構成する場合には、温度調整層３にスラリー状に調製した燃焼触媒を塗布する。また、メンブレン４の表面に水素生成触媒２を設ける。ここで、水蒸気改質機能を有する水素製造装置１ａを構成する場合には、メンブレン４の表面にスラリー状に調整した水蒸気改質触媒（２ａ）を塗布することにより水素生成触媒２を設ける。水性シフト機能を有する水素製造装置１ｂを構成する場合には、メンブレン４の表面にスラリー状に調製した水性シフト触媒（２ｂ）を塗布することにより水素生成触媒２を設ける。
【００４７】
このように、多孔質体６ｘ、６ｙよりなる支持体８内部に流通路１１を設けることで、流通路１１の壁面全体にメンブレン４を設け、さらにその表面に水素生成触媒２を設けることができる。
【００４８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
支持体８に隣接し、水素生成触媒２の温度を調整する層状の温度調整層３を備える。支持体８に形成したメンブレン４と温度調整層３との間に、支持体８の多孔質体６の少なくとも一部を設ける。ここでは、メンブレン４が形成される溝１０ｘの底面と、温度調整層３を構成するＳＵＳ板９ａとの間に、多孔質体６ｘの一部を設ける。これにより、流通路１１の温度調整層３側の壁面にメンブレン４を形成することができるので、メンブレン４の形成面積を増大することができる。その結果、水素の回収性を更に促進するとともに、水素生成触媒２における水素生成反応の非平衡化を促進し、水素生成効率を向上することができる。また、温度調整層３をメンブレン４および水素生成触媒２を設けた溝１０ｘの裏面に設けるので、メンブレン４および水素生成触媒２を適切な温度に維持することができる。
【００５０】
また、反応ガスの流通路１１を、壁面にメンブレン４および水素生成触媒２を有し、多孔質体６の内部に設けた流通路とする。このように、多孔質体６内部に流通路１１を構成することにより、流通路１１の壁面全体が多孔質体６により構成される。その結果、壁面全体にメンブレン４を構成することができ、水素回収性能を向上することができる。
【００５１】
また、多孔質部を構成する多孔質体６ｘ、６ｙの一方の面に溝１０ｘ、１０ｙを設け、二つの多孔質体６ｘ、６ｙを溝１０ｘ、１０ｙが対向するように接合して、多孔質体６内部に反応ガスの流通路１１を構成する。流通路１１の壁面全体にメンブレン４を形成し、メンブレン４の表面全体に水素生成触媒２を形成する。これにより、反応ガスの流通路１１の壁面全体にメンブレン４を形成することができ、水素回収性および水素生成効率の優れた水素製造装置１を製造することができる。このとき、二つの多孔質体６ｘ、６ｙの表面に設けた溝１０ｘ、１０ｙを組み合わせることで、多孔質体６内部を貫通する流通路１１を容易に製造することができる。
【００５２】
次に、第３の実施形態について説明する。水素製造装置１の断面を図６に示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５３】
水素製造装置１を積層構造により構成する。ここでは、第２の実施形態において、水素通路５を有さない構成とする。つまり、二つの多孔質体６ｘ、６ｙの組み合わせにより支持体８を構成し、このような二つの支持体８ｘ、８ｙを積層する。ここでは、支持体８ｘ、８ｙ間を例えば拡散接合により接合する（ここでは、水素以外の流体の洩れは問題にならないので必ずしも接合しなくともよい）。さらに、積層した支持体８ｘ、８ｙの両側に、温度調整層３を構成する構成部材９を配置する。このような構成を繰り返し積層することにより水素製造装置１を構成する。
【００５４】
なお、積層された多孔質体６ｘ、６ｙの積層面に設けられた流通路１１の壁面には、第２の実施形態と同様に、パラジウム膜を鍍金することによりメンブレン４を設け、さらに水素生成触媒２を設ける。
【００５５】
このような水素製造装置１において、流通路１１に反応ガスが導入され、水素生成触媒２に接触することにより水素が生成される。生成された水素は、メンブレン４を選択的に透過し、多孔質体６内に回収される。ここでは、この多孔質体６内を移動して積層面端部より水素が取出される。つまり、多孔質体６が第２の実施形態における水素通路５の役割を担う。
【００５６】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００５７】
メンブレン４を選択的に透過した水素を流通する水素通路を、支持体８の多孔質体６により構成する。これにより、第１、第２の実施形態のように水素通路５を設ける空間を省略でき、構成を簡易化できるとともに、コンパクト化できる。
【００５８】
次に、第４の実施形態について説明する。水素製造装置１の断面を図７に示す。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５９】
水素製造装置１を積層構造により構成する。ここでは、支持体８ｘ、８ｙの少なくとも一部に、内部に水素が流通可能な空間１５を設ける。例えば、複数の空間１５を積層面に沿って均等に設ける。または、層形状の空間１５を設けてもよい。さらには、支持体８ｘ、８ｙの積層面ではなく、多孔質体６ｘまたは６ｙの内部に空間１５を設けても良い。
【００６０】
流通路１１に導入された反応ガスが水素生成触媒２に接触して水素生成反応を生じる。生成された水素は、選択的にメンブレン４を介して多孔質体６内部に回収される。このとき、多孔質体６の端部より水素を取出すことができるが、ここでは、さらに多孔質体６の内部に水素が流通可能な空間１５を設け、水素を取出す際の抵抗を抑制する。
【００６１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００６２】
水素通路としての多孔質体６内部に、水素が流通する空間１５を設ける。このように、支持体８内に水素が流通可能な空間１５を設けることで、多孔質体５内の水素が通過する距離を短くすることができ、圧力損失を低減できる。その結果、メンブレン４前後の差圧を拡大し、透過水素量を増加することが可能となる。
【００６３】
次に、第５の実施形態について説明する。水素製造装置１の断面を図８に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６４】
水素製造装置１を円柱形状に構成する。ただしこの限りではなく、水素製造装置１の断面を、多角形、楕円、その他様々な形状とすることができる。
【００６５】
円柱形状の多孔質体２６と、多孔質体２６の外面を覆うＳＵＳ膜２７よりなる支持体２８を備える。また、支持体２８の内部に軸方向に貫通する複数の孔３０を設ける。孔３０の壁面にパラジウム膜等を鍍金することによりメンブレン２４を構成する。さらに、メンブレン２４の表面に、水素生成触媒２２を設ける。なお、メンブレン２４および水素生成触媒２２は、位置決め部材２９ｂ（後述）表面にも設ける。
【００６６】
また、孔３０の中心軸に沿って、円柱形状の温度調整部２３と、これを構成する構成部材２９とを備える。構成部材２９を、多孔質体２６を軸方向に貫通する流路管２９ａと、流路管２９ａから放射状に伸びて多孔質体２６に接続することにより、流路管２９ａの位置を決定する位置決め部材２９ｂより構成する。流路管２９ａ内部を温度調整層２３とし、燃焼層２３ａとする場合には酸化触媒を塗布し、冷却層２３ｂとする場合には冷媒の流通路とする。なお、位置決め部材２９は軸方向に非連続としてもよい。ここでは、流路管２９ａをＳＵＳ材により構成し、位置決め部材２９ｂを多孔質材により構成する。
【００６７】
さらに、孔３０内部の温度調整層２３の周囲に沿って形成される略円筒形状の空間を流通路３１とする。前述したように、流通路３１の壁面のうち、多孔質体２６により構成される壁面および位置決め部材２９ｂにメンブレン２４を構成する。また、流通路３１の壁面全体に水素生成触媒２２を設ける。
【００６８】
ここでは、多孔質体２６に設けた孔３０の壁面にパラジウム膜を鍍金することによりメンブレン２４を設ける。また構成部材２９ｂの表面にも同様に、パラジウム膜を鍍金することによりメンブレン２４を設ける。多孔質体２６、構成部材２９ｂ、および構成部材２９ａを接合する。その後、水蒸気改質機能を有する水素製造装置１ａを構成する場合には、温度調整層２３に酸化触媒を塗布する。また、流通路３１の壁面に、水素生成触媒２２を設ける。
【００６９】
このように構成した水素製造装置１の貫通孔３１内に反応ガスを導入することにより、反応ガスが水素生成触媒２２に接触し、水素の生成反応を生じる。メンブレン２４に沿って水素生成触媒２２を設けることで、生成された水素を速やかに多孔質体２６内および構成部材２９ｂ内に回収することができる。メンブレン２４を選択的に多孔質体２６側へ透過した水素は、多孔質体２６内を移動して軸端部より取出される。同様に、メンブレン２４を選択的に構成部材２９ｂ側へ透過した水素は、構成部材２９ｂ内または構成部材２９ｂに連通する多孔質体２６内を移動して軸端部より取出される。
【００７０】
なお、ここでは図示しないが、多孔質体２６内に軸方向に貫通する孔により水素を流通する空間を設けても良い。また、ここでは多孔質体２６、構成部材２９ｂを接合し、その後メンブレン２４を形成してから構成部材２９ａを配置したがこの限りではない。
【００７１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７２】
多孔質体２６を有する筒形状の支持体２８と、多孔質体２６を軸方向に貫通し、反応ガスを流通する流通路３１と、流通路３１の少なくとも多孔質体２６よりなる壁面に設けたメンブレン２４と、を備える。また、少なくともメンブレン２４の表面に設けた水素生成触媒２２と、流通路３１の内側に設けられた温度調整部２３と、を備える。これにより、水素が生成される領域である水素生成触媒２２と、水素が回収される領域であるメンブレン２４を隣接して構成することができるので、水素生成触媒２２における水素生成反応の非平衡化を促進し、水素の回収性および生成効率を向上することができる。
【００７３】
次に、第６の実施形態について説明する。水素製造装置１の横断面を図９に、縦断面を図１０に示す。なお、図１０においては、メンブレン４４を一点鎖線、水素生成触媒４２を点線により示している。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７４】
水素製造装置１を円柱形状に構成する。ただしこの限りではなく、水素製造装置１の断面を、多角形、楕円、その他様々な形状とすることができる。
【００７５】
水素製造装置１を、円柱形状の多孔質体４６ｘと、多孔質体４６ｘの外周に設けた円筒形状の三層の空間と、さらにその外周に設けた多孔質体４６ｙと、多孔質体４６ｙの外面に沿って設けたＳＵＳ膜４７より構成する。多孔質体４６ｘ、４６ｙに挟まれた三層の空間を、中心側から、反応ガスの流通路５１ｘ、温度調整を行う温度調整部４３、反応ガスの流通路５１ｙとする。
【００７６】
また、流通路５１ｘ、温度調整部４３、流通路５１ｙの間の隔壁となる、円筒形状の構成部材４９ａ、４９ｂを備える。構成部材４９ａ、４９ｂを、軸方向に連続した構成とする。さらに、構成部材４９ａ、４９ｂおよび多孔質体４６ｘ、４６ｙとが同心となるように、各部材の位置決めを行う構成部材４９ｃ〜ｅを備える。構成部材４９ｃ〜ｅを、それぞれ隣接する多孔質体４６ｘ、４６ｙ、構成部材４９ａ、４９ｂ間を接続するように構成する。構成部材４９ｃ〜ｅは軸方向について非連続としてもよい。
【００７７】
また、構成部材４９ａ〜ｅは熱伝導性の優れた部材より構成する。ここでは、構成部材４９ａ、ｂ、ｄをＳＵＳ材により構成する。また、構成部材ｃ、eを多孔質材により構成する。
【００７８】
また、図１０に示すように、軸方向端部には、流通路５１ｘ、５１ｙに連通し、反応ガスの導入を行う入口部５２ｘ、５２ｙを設ける。また、温度調整部４３に連通し、燃焼燃料や冷媒等の温度調整を行う流体を導入する入口部５３を設ける。なお、図示しないもう一方の端部には、反応ガスの出口部および温度調整を行う流体の出口部を設ける。さらに、多孔質体４６ｘ、４６ｙに連通して水素の取出し部５４を設ける。メンブレン４４ｘ、４４ｙを介して多孔質体４６ｘ、４６ｙに回収された水素は、多孔質体４６ｘ、４６ｙ内を軸方向に移動して取出し部５４より取出される。
【００７９】
次に、水素製造装置１の製造方法について簡単に説明する。
【００８０】
多孔質体４６ｙの外周面に沿ってクラッド法によってＳＵＳ膜４７を設ける。多孔質体４６ｘの外周面および多孔質体４６ｙの内周面に沿ってパラジウム膜等を鍍金することにより、それぞれにメンブレン４４ｘ、４４ｙを構成する。同様に、構成部材４９ｃ、４９ｅの表面にパラジウム膜を鍍金することにより、それぞれメンブレン４４ｘ、４４ｙを構成する。多孔質体４６ｘ側から、構成部材４９ｃ、４９ａ、４９ｄ、４９ｂ、４９ｅの順で配置してそれぞれを接合し、さらにその外側に多孔質体４６ｙを接合する。なお、構成部材４９ａ〜ｅ間に関しては、予め接合しておいても良い。
【００８１】
さらに、メンブレン４４ｘ、４４ｙに沿って水素生成触媒４２ｘ、４２ｙを形成する。ここでは、多孔質体４６ｘと円筒形状の構成部材４９ａとの間に形成された流通路５１ｘと、多孔質体４６ｙと円筒形状の構成部材４９ｂとの間に形成された流通路５１ｙの壁面全体に触媒を塗布することにより水素生成触媒４２ｘ、４２ｙを形成する。さらに、流通路５１の構成部材４９ｃ、４９ｅ表面に構成されるメンブレン４４ｘ、４４ｙ上にも、水素生成触媒４２ｘ、４２ｙを設ける。また、水蒸気改質機能を有する水素製造装置１ａを構成する場合には、円筒形状の構成部材４９ａ、４９ｂに挟まれた空間よりなる温度調整部４３に酸化触媒を担持させる。
【００８２】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第５の実施形態と異なる効果についてのみ説明する。
【００８３】
中心から半径外側に向かって多孔質体４６ｘ、メンブレン４４ｘ、水素生成触媒４２ｘ、反応ガスの流通路５１ｘ、温度調整部４３、反応ガスの流通路５１ｙ、水素生成触媒４２ｙ、メンブレン４４ｙ、多孔質体４６ｙの順番に配置されるように構成する。これにより、水素を生成する水素生成触媒４２と水素を回収するメンブレン４４を隣接して構成することで、水素回収を速やかに行って、水素生成反応の非平衡化を促進することができる。その結果、水素生成効率を向上することができる。また、メンブレン４４の形成面積を大きくとることができるので、水素の回収性能を向上することができる。
【００８４】
なお、上記実施形態では、各部材を拡散接合により接合したがこの限りではない。例えばロウ付け等により接合してもよい。
【００８５】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、メンブレンを備えた水素製造装置に適用することができる。例えば、改質反応により水素を生成する改質器や、水性シフト反応により水素を生成するシフト器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１の実施形態に用いる水素製造装置の概略を示す図である。
【図２】第１の実施形態に用いる水素製造装置の断面図である。
【図３】第１の実施形態に用いる水素製造装置の製造工程を示す図である。
【図４】第２の実施形態に用いる水素製造装置の断面図である。
【図５】第２の実施形態に用いる水素製造装置の製造工程を示す図である。
【図６】第３の実施形態に用いる水素製造装置の横断面図である。
【図７】第４の実施形態に用いる水素製造装置の横断面図である。
【図８】第５の実施形態に用いる水素製造装置の横断面図である。
【図９】第６の実施形態に用いる水素製造装置の横断面図である。
【図１０】第６の実施形態に用いる水素製造装置の端部近傍の縦断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１    水素製造装置
２、２２、４２    水素生成触媒
３    温度調整層
４、２４、４４    メンブレン
５    水素通路
６、２６、４６    多孔質体
７、２７、４７    ＳＵＳ膜
８、２８、４８    支持体
９、２９、４９    構成部材
９ａ  ＳＵＳ板
１０  溝
１１、３１、５１  流通路（反応ガス流路）
１２  フィン
１２ｔ  頂面
１５  空間
２３、５３  温度調整部
３０  孔
【図１】
2005336038.tif 000003
【図２】
2005336038.tif 000004
【図３】
2005336038.tif 000005
【図４】
2005336038.tif 000006
【図５】
2005336038.tif 000007
【図６】
2005336038.tif 000008
【図７】
2005336038.tif 000009
【図８】
2005336038.tif 000010
【図９】
2005336038.tif 000011
【図１０】
2005336038.tif 000012